Roată din POM cu mufă injectată: De ce se slabesc butucii?

Un angrenaj gri din POM cu un miez din alamă strunjit arată ca un compozit simplu, iar acesta este exact motivul pentru care mulți dintre ei eșuează. Comanda 260626003 a sosit în iunie 2025 de la un producător de echipamente de birou, al cărui furnizor anterior expediaseră un lot de angrenaje din POM supramodelate care trecuseră toate inspecțiile la doc, dar care își pierduseră ulterior miezurile metalice în interiorul mașinii: unele se roteau în jurul arborelui sub acțiunea unui cuplu invers, altele spărgeau coroana modelată în timpul asamblării, iar altele se deplasau atât de mult față de centrul său încât transmisia emitea zgomote puternice și șuruburile de fixare nu mai puteau menține poziția.

Mai jos sunt enumerate modificările pe care le-am efectuat, valorile măsurate pe întreaga serie și defecțiunea identificată în primele noastre cincizeci de piese. Dacă achiziționați un angrenaj din POM supramodelat cu un miez din alamă, secțiunea de reținere este cea care merită atenția dumneavoastră, deoarece răspunsul evident — presarea strânsă a miezului și încrederea în frecare — este tocmai motivul pentru care prima serie a eșuat.

La ce este de fapt destinat miezul metalic

Cele două materiale îndeplinesc două funcții diferite, iar această separare este ceea ce face ca piesa să funcționeze.

Corpul din POM injectat poartă geometria dinților. POM este rigid, dimensional stabil sub sarcină și suficient de alunecos încât o mică pereche de roți dințate funcționează în liniște, fără unsoare. Nucleul din alamă preia întreaga sarcină concentrată: gaura centrală care poziționează arborele, cele două fețe plane prelucrate la capătul superior, care transmit cuplul prin acționare manuală către o piesă de cuplare, și găurile filetate transversale care fixează ansamblul pe arbore cu șuruburi de blocare.

Injectarea dinților pe un nucleu prelucrat, în loc să se prelucreze întreaga roată dințată din alamă sau oțel, asigură funcționare liniștită, masă redusă și lipsa necesității de ungere, iar costul este mai mic decât cel al unei piese integral prelucrate, în serii mari. Compromisul este următorul: interfața dintre plastic și metal devine acum o cale de transmitere a sarcinii și trebuie proiectată intenționat, nu presupusă.

Modul de cedare pe care nimeni nu îl măsoară

POM-ul continuă să se deformeze după oprirea mașinii de injectare

POM se cristalizează în timp ce se răcește și se contractă cu aproximativ 1,8 la sută față de cavitate. De asemenea, continuă să se relaxeze timp de ore după ce piesa părăsește matrița și se deplasează aproximativ de cinci până la șase ori mai mult decât alamaua pentru aceeași variație de temperatură. O ajustare care pare strânsă pe bancul de lucru dimineața poate părea slabă într-un carcasă încălzită după-amiază, fără ca nimic să fi fost atins.

Aceasta este întreaga problemă exprimată într-o singură propoziție: o îmbinare prin frecare între două materiale care se dilată cu rate diferite este o îmbinare cu dată de expirare.

Marginea este inelul cel mai slab din piesă

Apăsarea unui colier neted într-un butuc modelat încarcă plasticul înconjurător în tensiune circulară. Inelul cel mai subțire, cel mai rece și cel mai solicitat din întreaga piesă este marginea din jurul butucului, care este, de asemenea, locul unde se află de obicei poarta de injectare și linia de separare. Când ajustarea prin presare este dimensionată pentru strângere, nu pentru potrivire, această margine suferă consecințele, ceea ce duce la apariția unei roți dințate care s-a fisurat pe bancul de asamblare, fără să fi ajuns vreodată la mașină.

Îmbinarea este solicitată să îndeplinească două sarcini simultan

Poziționarea și transmiterea momentului nu reprezintă aceeași cerință. Un insert de butuc trebuie să rămână concentric cu axa roții dințate cu o toleranță de câteva sutimi de milimetru și trebuie să reziste momentului de torsiune invers fără nicio rotație deloc. O ajustare prin presare realizează prima sarcină în mod rezonabil atunci când este nouă, dar a doua sarcină în mod precar în permanență, deoarece forța normală de care depinde este prima care scade când plasticul se relaxează.

Trei metode de fixare a unui insert din alamă și momentul potrivit pentru fiecare

Metodologie	Modul în care se fixează	Rezistență la cuplu	Concentricitate	Unde se încadrează
Ajustare prin presare pe un colier neted	Doar prin frecare, datorită interferenței dintre colier și butuc	Scăzută până la medie; scade pe măsură ce POM-ul se relaxează și se încălzește	Bună doar dacă butucul este tăiat după injectare	Poziționare pentru cuplu scăzut, utilizare ușoară, prototipuri
Colier filetat presat la o adâncime controlată	Blocare prin formă: dinții filetului pătrund în plastic și cuplul se transmite prin acești dinți	Ridicat, rezistă la sarcini cu inversare	0,02 mm, atunci când butucul este tăiat după stabilizarea corpului	Roți de angrenare, arbori cu blocare prin șurub de reglaj
Inserție plasată în cavitate și injectată în loc	Polimerul se contractă pe canelură în timp ce se răcește	Înalt	Depinde de poziția sculei pentru inserție	Volum mare, o singură geometrie de inserție, orientare fixă

Pentru această aplicație am ales varianta din mijloc, iar motivul este specificat în prima linie: frecarea este o forță pe care trebuie să o mențineți, iar forma este o geometrie pe care o aveți deja. O canelură care a pătruns în POM continuă să transmită cuplul chiar și după ce plasticul s-a relaxat și interferența a dispărut.

Modul în care a fost realizată această roată dințată, pas cu pas

Pasul 1 – Turnarea corpului din POM, conform nuanței gri indicate în desen

Cavitatea dinților și butucul sunt frezate astfel încât butucul să rezulte ușor sub dimensiunea nominală, lăsând material suplimentar pentru o ulterioară operație de strunjire. Nuanța este stabilită cu un masterbatch comparativ cu o mostră Pantone Cool Gray 7C, ceea ce are o importanță mai mare decât așteaptă majoritatea cumpărătorilor, deoarece abaterile de nuanță apar mai întâi în nuancele de gri.

Pasul 2 – Lăsarea corpului turnat să se stabilizeze timp de 24 de ore

Piesele stau în repaus timp de o zi întreagă înainte de orice tăiere finală. Tăierea butucului în timp ce piesa este încă în proces de relaxare înseamnă că ajustarea se va modifica după tăiere, iar măsurătoarea efectuată la mașină nu va mai descrie piesa pe care o expediezi.

Pasul 3 – Prelucrarea insertului din alamă într-o singură prindere

Insertul este prelucrat integral într-o singură prindere: gaura centrală, cele două fețe plane de la capătul de antrenare, flanșa de poziționare, gâtul și colierul filetat. O singură prindere asigură faptul că fețele plane, gaura și colierul sunt coaxiale, ceea ce garantează ulterior concentricitatea ansamblului. O a doua prindere duce la obținerea unui miez care se potrivește perfect pe arbore, dar este înclinat în angrenaj.

Pasul 4 – Tăierea butucului la ajustarea finală

După stabilizare, butucul este strunjit la ajustarea de presare necesară. Acesta este pasul care diferențiază acest proces de cel care a eșuat: ajustarea este realizată în plastic stabil, nu în plastic încă în curs de contracție.

Pasul 5 – Montarea prin presare pe o presă încălzită, până la o adâncime controlată

Inserția se face cu o presă încălzită, într-o fereastră de forță de 1,2–1,6 kN, până la o adâncime fixă stabilită de flanșă. Controlul se face pe baza adâncimii, nu doar a forței: forța indică faptul că îmbinarea este strânsă, iar adâncimea indică faptul că flanșa este corect poziționată și că miezul este perpendicular pe fața roții dințate.

Pasul 6 – Filetarea găurilor transversale după presare

Cele două găuri pentru șuruburile de blocare sunt filetate după ce inserția este completă, astfel încât filetul să fie realizat în poziția finală a piesei, nu într-o inserție care ulterior se va deplasa cu câteva sutimi de milimetru. Un filet realizat înainte de presare poate rezulta înclinat.

Pasul 7 – Verificarea îmbinării, nu doar a dimensiunilor

Verificarea include concentricitatea inserției, rezistența la extragere axială pe un eșantion distructiv, cuplul aplicat la butuc în cicluri inverse, forma dinților și o inspecție vizuală pentru eventuale fisuri la marginea coroanei. Apoi, piesele sunt ambalate astfel încât dinții molați să nu se atingă între ei în cutie.

Primele cincizeci de piese și defecțiunea pe care am identificat-o

Rularea de probă a celor cincizeci de roți dințate a eșuat, iar eșecul a fost al nostru, nu al materialului.

Doisprezece piese au ieșit din presă cu o fisură subțire la margine. Prima serie fusese presată cu butucul tăiat la dimensiunea nominală, imediat după injectare, fără etapa de stabilizare. Restul grupului de probă, presat după o zi întreagă de repaus, nu a prezentat deloc fisuri. Diferența nu se datorează norocului: piesele neasamblate se mai contractau încă în momentul introducerii colierului, astfel încât interferența efectivă era mai mare decât cea indicată în desen, în momentul în care presa atingea flanșa.

Au intrat în producție două modificări. În primul rând, niciun insert nu este presat într-un corp cu vârsta sub 24 de ore, iar vârsta este înregistrată pe fișa de urmărire. În al doilea rând, dispozitivul de presare așează insertul pe un stop rigid la nivelul flanșei, în loc să funcționeze până la atingerea unei limite de forță; astfel, un corp care s-a contractat ușor mai mult decât prevăzut nu poate fi suprasolicitat pentru a atinge valoarea specificată.

Filetul a fost, de asemenea, ușor scurtat în zona injectată, astfel încât să angreneze plasticul doar în partea superioară a bucei și să nu atingă niciodată zona predispusă la formarea de buruieni, situată în apropierea liniei de separare, unde un dinte înfipat ar putea iniția o fisură.

Ce s-a măsurat pe lotul de 15.000 de piese

Bifa	Specificație desen	Menținut pe întreaga serie de producție
Concentricitatea inserției față de axa roții dințate	0.02 mm	În interiorul inelului, pe fiecare piesă, după presare
Extragerea axială a inserției	Cel puțin 900 N	Nicio piesă sub limită în eșantionul supus încercărilor distructive
Momentul de torsiune la buca	2,5 N·m pe parcursul a 50 de cicluri de inversare	Fără rotație la filetul de blocare
Forța de presare la montare	fereastră de 1,2 până la 1,6 kN	Menținut în interiorul ferestrei, adâncimea stabilită pe opritorul de flanșă
Corpul angrenajului	24 de dinți, alezaj și fețe plane pe o singură axă	Forma dinților și axa verificate la primul articol de fiecare schimb
Dinți mulați	Fără crăpături, fără bavură la angrenare	Zero cercuri crăpate la inspecția finală
Culoare	Pantone Cool Gray 7C	Gri uniform pe toate loturile, comparat cu eșantionul aprobat

Cincisprezece mii de roți dințate livrate în 21 de zile, iar primele transmisii asamblate au funcționat în liniște pe linia clientului, fără a se raporta nicio mișcare a inserției.

Culoarea este, de asemenea, o toleranță, mai ales în nuanțele de gri

Nuancele de gri mijlociu nu tolerează abateri. O modificare de câteva unități în luminozitate este percepută ca un material diferit de către un cumpărător care ține două piese una lângă cealaltă, iar la deschiderea unui kit de service la șase luni distanță, este percepută ca un produs diferit. Trei obișnuințe mențin stabilitatea: un singur lot de masterbatch pe comandă, atunci când cantitatea o permite; păstrarea eșantionului aprobat într-un sertar întunecat, nu pe bancul de lucru expus luminii zilnice; și efectuarea unei măsurători de culoare față de acel eșantion la începutul și la sfârșitul fiecărei schimburi de injectare, nu doar la prima piesă.

Ce determină costul unei roți dințate cu inserție prin injecție

Patru elemente stabilesc prețul, iar doar unul dintre ele este plasticul:

·Matrița. Numărul de cavitați, forma dinților și dacă butucul necesită un pivot masiv în loc de unul cu miez. Aceasta este cea mai mare componentă unică și se plătește o singură dată.

·Inserția strunjită. Suprafețe plane, flanșă, filetare și o gaură care trebuie să aibă aceeași axă. O inserție realizată într-o singură operație costă mai mult pe piesă decât una executată în două operații, dar economisește mai mult decât costă.

·Timpul de stabilizare și a doua tăiere. Plătiți pentru o zi de stocare și pentru o trecere de finisare care există doar pentru că POM se deformează.

·Adâncimea inspecției. Testele de extracție și de cuplu sunt distructive, deci prețul include eșantionare, nu testare la 100 %, iar dimensiunea eșantionului merită convenită în scris.

Întrebați orice furnizor care este timpul său de stabilizare și cum este controlată presa: după adâncime sau după forță. Răspunsul vă spune dacă îmbinarea a fost proiectată sau doar sperată.

Întrebări frecvente

Are nevoie un angrenaj POM supravulcanizat de o inserție filetată?

Doar dacă articulația trebuie să transmită cuplu. Filetarea transformă articulația dintr-o articulație prin frecare într-o articulație prin formă, astfel încât cuplul este transmis prin dinții filetului, nu prin presiunea de contact care scade pe măsură ce plasticul se relaxează. Pentru o piesă care trebuie doar să poziționeze un arbore fără sarcină de antrenare, un colier neted cu o potrivire corectă poate fi suficient.

Se poate monta inserția prin presare după injectare, în loc de a fi injectată direct în locul ei?

Da, iar montarea prin presare după injectare este adesea soluția mai bună atunci când inserția are fețe plane sau un alezaj care trebuie să rămână aliniat, deoarece butucul poate fi prelucrat după ce corpul s-a stabilizat și inserția poate fi strunjită într-o singură prindere. Injectarea inserției este potrivită pentru volume mari și o geometrie fixă, unde scula poate poziționa miezul, iar contracția materialului lucrează în avantajul dvs.

De ce provoacă inserțiile din alamă fisurarea marginii din plastic?

Deoarece ajustarea prin presare este dimensionată pentru etanșeitate, nu pentru ajustare, și deoarece piesa se mai contractă adesea în momentul introducerii insertului. Marginea din jurul butucului este inelul cel mai subțire din piesă și locul unde se întâlnesc poarta de injectare și linia de separare, deci suportă întâi efortul circumferențial. Stabilizarea corpului și controlul adâncimii, în locul forței, elimină ambele cauze.

Cum verificați reținerea insertului fără a distruge piese bune?

Nu o faceți, pentru valoarea de extracție. Se secționează un eșantion pentru a confirma angrenarea canelurilor, se trage un eșantion până la rupere pentru a dovedi marja de siguranță și se supune un eșantion la cicluri la cuplul de funcționare pentru a dovedi că asamblarea nu se rotește. Piesele de producție sunt apoi controlate prin parametrii de presare și prin concentricitate, care pot fi măsurați fără deteriorare.

Ce să includeți pe desenul dumneavoastră

Majoritatea argumentelor din acest articol se rezolvă prin cinci linii pe desen:

1. Specificați materialul insertului și cel al plasticului, inclusiv referința de culoare și diferența acceptată de culoare.

2. Specificați concentricitatea insertului față de axa roții dințate ca o toleranță reală, nu ca o notă.

3. Specificați reținerea axială ca o forță minimă și indicați dacă aceasta este verificată prin eșantionare sau prin calcul.

4. Specificați modul de transmitere a momentului de torsiune: platouri, caneluri sau nitrurare (knurl), precum și locul unde este permisă aplicarea nitrurării (knurl).

5. Indicați dacă insertul este presat după injectare sau este plasat în cavitate; dacă nu aveți o preferință, menționați acest lucru și lăsați procesul să decidă.

Asamblarea metalului cu un polimer în mișcare nu este un detaliu care poate fi lăsat la o toleranță implicită. Asigurați-vă corectitudinea îmbinării, iar restul construcției roții dințate devine o lucrare obișnuită: dinți liniștiți, o axă precisă și o nuanță de gri care corespunde încă eșantionului peste un an.